Régimen transitorio

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Se denomina expresión temporal o expresión instantánea a una expresión
matemática en la que el tiempo es la variable independiente. Es decir, si se desea
conocer el valor de la corriente (o el de la tensión o el de la potencia) en un instante
dado, basta sustituir el valor del tiempo en la expresión temporal o instantánea
correspondiente.
En todo momento se supone que el cambio de posición del interruptor es brusco; es
decir, se produce en un intervalo nulo de tiempo.
En régimen permanente continuo las expresiones temporales o instantáneas se
reducen a la indicación de los valores constantes (válidos para cualquier instante) de
las variables de interés.
Obsérvese que el instante t=0- s corresponde a una situación en la que está aplicada
la excitación continua inicial y el circuito se encuentra en régimen permanente
continuo; es equivalente a cualquier otro instante en el intervalo -∞ ≤ t ≤ 0-. Por su
parte, el instante t=0+ s corresponde a una situación en la que está aplicada la
excitación continua final y el circuito se encuentra en régimen transitorio (de hecho,
es el momento en el que se inicia dicho régimen).
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La tensión en la inductancia y la corriente en la capacidad sí pueden variar
bruscamente (es decir, en un tiempo nulo).
En un circuito cuyos elementos pasivos son únicamente resistencias no hay régimen
transitorio al cambiar la excitación; la respuesta se adapta instantáneamente a los
cambios de ésta. En otras palabras, la causa de que aparezca un régimen transitorio
al variar las condiciones de la excitación (variación originada por el cambio de
posición de uno o más interruptores) es el comportamiento de los elementos
reactivos, comportamiento resumido en sus respectivas relaciones funcionales.
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Puesto que la excitación es continua, la respuesta también lo será (ya que no se
indica nada acerca de cambios de posición de interruptores se supone que el circuito
lleva mucho tiempo en el estado indicado).
En régimen permanente continuo la inductancia se comporta como si fuera un
cortocircuito y la capacidad, como si fuera un circuito abierto. Es decir, el circuito
queda como se indica a continuación. Como puede observarse, iC=0 A (la corriente en
un circuito abierto es nula) y vL=0 V (la tensión en un cortocircuito es nula).
L + vL -
+ vG RG +
iC
vC
VS
-
RC
C
iL
VD
RL
VD = kvG
VS − VD
V − kv G
V − ki G R G
RG = S
RG = S
RG
⇒
RG + RC
RG + RC
RG + RC

kR G 
VSR G
VS
i G R G 1 +
⇒
iG =
= − 0.5 A
=
RG + RC  RG + RC
R G (1 + k) + R C

⇒
v C = VS − i G R G = − 1 V
V
kv G ki G R G
iL = D =
=
= −1 A
RL
RL
RL
v G = i G RG =
⇒
€
⇒
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1. Solución.
La corriente no es nula en 0-, por lo que no puede ser una capacidad, que sería
un circuito abierto en continua. Tampoco puede ser una resistencia porque hay
una tensión nula con una corriente no nula en 0- y 0+, lo cual violaría la ley de
Ohm. Luego es una inductancia.
2. Solución.
La corriente no es nula en 0-, por lo que no puede ser una capacidad, que sería
un circuito abierto en continua. Tampoco puede ser una inductancia porque hay
una tensión no nula en 0-, lo cual va en contra de que la inductancia es un
cortocircuito en continua. Luego es una resistencia.
3. Solución.
No puede ser una resistencia porque hay una tensión no nula con una corriente
nula en 0-. Tampoco puede ser una inductancia porque hay una tensión no nula
en 0-. Luego es una capacidad.
4. Solución.
No puede ser una capacidad porque hay un salto brusco de tensión en t=0 s.
Tampoco puede ser una inductancia porque hay un salto brusco de corriente en
el mismo instante. Luego es una resistencia.
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En principio, los valores (constantes) de las variables durante la excitación continua
inicial pueden ser determinados en cualquier instante comprendido entre -∞ y 0 s;
sin embargo, es habitual calcularlos en el instante 0- s. Análogamente, los valores de
las variables una vez alcanzado el régimen permanente continuo final pueden ser
hallados en cualquier instante comprendido entre T e ∞ s; sin embargo, es habitual
obtenerlos en el instante t=∞ (de esta manera, aunque se desconozca el valor de T, se
tiene la seguridad de que el circuito se encuentra en el régimen permanente continuo
final).
La indicación de la tabla acerca del procedimiento para determinar vC(t) e iL(t) en el
intervalo 0+≤t≤T hace referencia a las condiciones (condiciones de continuidad,
expuestas anteriormente) relativas a que la tensión en una capacidad y la corriente
en una inductancia no pueden variar bruscamente.
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Obsérvese que, antes de la apertura del interruptor, el circuito queda reducido a un
divisor de corriente, con lo que puede aplicarse la expresión correspondiente
presentada en el tema I. Obsérvese también que la tensión en la capacidad es igual a
las que caen en ambas resistencias y en el generador (los tres elementos están en
paralelo), con lo que dicha magnitud puede calcularse multiplicando la corriente que
circula por una resistencia (por ejemplo, iL) por esta resistencia (RD).
En t=0+ se tiene (aplicando la ley de Kirchhoff de las tensiones en las mallas)

r 
+
v C (0 + ) = ri RL (0 + ) + R D i L (0 + ) + v L (0 + ) = v L (0 + )1 +
 + R D i L (0 )
RL 

En general, salvo que se indique explícitamente que existe energía almacenada en la
capacidad o la inductancia, los valores de todas las variables en régimen permanente
continuo
son nulos si los elementos correspondientes están desconectados de la
€
excitación.
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Obsérvese que la magnitud fundamental es la que no puede variar bruscamente en
el único elemento reactivo presente en el circuito.
El procedimiento sigue siendo válido si hay más de un elemento reactivo, pero todos
han de ser de la misma naturaleza (capacidades o inductancias) y han de poder ser
agrupados (en serie o en paralelo) hasta quedar reducidos a un único elemento
equivalente. Éste es el que se utiliza para aplicar el procedimiento.
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La expresión correspondiente a iL(0-) se obtiene observando que la corriente
proporcionada por la fuente circula por RG en serie con la agrupación en paralelo de
R1 y R2. Obsérvese que la inductancia se comporta como un cortocircuito en t=0-,
con lo que la diferencia de tensión entre sus bornas es nula. La corriente en R3 es
nula, ya que está dada por el cociente entre dicha diferencia de tensión (puesto que
la inductancia y R3 están en paralelo, habrá la misma caída de tensión en ambas) y
el valor de la resistencia. En otras palabras, un cortocircuito elimina cualquier otro
elemento pasivo que tenga en paralelo (no ocurre lo mismo con las otras resistencias
puesto que hay una caída de tensión adicional en R2) o, lo que es lo mismo, no
circula ninguna corriente por un elemento pasivo que esté en paralelo con un
cortocircuito.
Para calcular v1(t) se ha considerado el divisor de tensión formado por la
inductancia, que aporta la tensión vL(t), y las resistencias R1 y R2.
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La duración del régimen transitorio es lo que en diapositivas anteriores fue
designado con la letra T.
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Obsérvese que la constante de tiempo también rige la variación con el tiempo de la
magnitud de interés en el caso de la respuesta forzada. De hecho, las curvas
mostradas en esta diapositiva y en la anterior son simétricas. El valor final de la
variable se alcanza (el régimen transitorio acaba) para un tiempo aproximadamente
igual a cinco veces la constante de tiempo.
El único aspecto reseñable es que, para un tiempo igual a la constante de tiempo, el
valor de la magnitud en el caso de la respuesta forzada no es un 37 % del inicial,
sino el complementario (63 % del valor final; 0.63 = 1 – 0.37).
Obsérvese que, si se vuelve a abrir el interruptor antes de que la tensión en la
capacidad alcance su valor final, se tendría una exponencial decreciente (respuesta
natural) a partir del valor que hubiera alcanzado la magnitud al cambiar de posición
el interruptor.
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Todos los elementos soportan la misma diferencia de tensión porque están en
paralelo.
Al agrupar en paralelo elementos de idéntica naturaleza el circuito se reduce a otro
con un solo elemento reactivo.
La ecuación diferencial se obtiene sustituyendo la relación funcional en la ecuación
de nudo.
La constante de tiempo se obtiene comparando la ecuación diferencial con la forma
genérica correspondiente a circuitos con un solo elemento reactivo.
La constante de integración (que es el resultado de agrupar las constantes
correspondientes a las dos integrales) surge de imponer la condición de igualdad de
tensiones. En su determinación se utilizan valores nulos para las dos corrientes, ya
que éstas son iguales a los valores que tenían en 0- (la corriente en la inductancia no
puede variar bruscamente) y en esas condiciones estaban desconectadas de la
excitación. K se obtiene finalmente utilizando valores conocidos previamente.
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Los elementos reactivos pueden ser dos inductancias, dos capacidades o una
capacidad y una inductancia. En todo caso, siempre se está haciendo referencia a
elementos equivalentes, resultantes de agrupar en serie o en paralelo elementos de
idéntica naturaleza.
Los coeficientes del primer miembro de ambas ecuaciones diferenciales son idénticos
(salvo en circuitos con elementos parcialmente acoplados; véase más adelante) y sus
valores dependen de los de los elementos pasivos y de los correspondientes a las
fuentes dependientes. Los valores de las fuentes independientes no influyen en tales
coeficientes. Por esto se dice que la respuesta del circuito es única; es decir, el
primer miembro de la ecuación diferencial es siempre el mismo, con independencia
de cuál sea el elemento reactivo al que se haga referencia.
La constante que figura en el segundo miembro depende de los valores de las fuentes
independientes y puede ser distinta de una a otra ecuación diferencial.
Es inmediato deducir que, si sigue aumentando el número de elementos reactivos
considerados, la situación se generaliza: tres ecuaciones de circuito, tres ecuaciones
diferenciales de tercer orden, etcétera. Lo único que cambia es la solución
matemática de las ecuaciones diferenciales.
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Las raíces reales y las partes reales de las raíces complejas han de ser negativas; de
lo contrario los términos exponenciales podrían hacerse infinitos, lo cual carece de
sentido físico. Esta condición se cumple siempre, ya que se ha impuesto (tema I) la
exigencia de que los elementos pasivos tengan valores positivos, a menos que los
parámetros correspondientes a las fuentes dependientes determinen lo contrario;
esta situación, que es posible en la práctica, queda fuera de los límites marcados
para este curso.
Las raíces de la ecuación característica tienen dimensiones de s-1. Por tanto puede
suponerse que el circuito está caracterizado por dos constantes de tiempo, iguales a
los inversos de ambas raíces. En consecuencia son aplicables las consideraciones
indicadas para circuitos con un solo elemento reactivo (duración del régimen
transitorio, por ejemplo) tomando como constante de tiempo efectiva la de mayor
valor de las dos.
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Los coeficientes del primer miembro de la ecuación diferencial correspondiente a una
variable han de ser positivos a fin de garantizar que la parte real de las raíces de la
ecuación característica no es positiva.
49
Recuérdese que la expresión temporal buscada es la suma del valor de la variable
correspondiente a t=∞ y la solución de la ecuación homogénea, que también es una
expresión temporal, con lo que no puede prescindirse del primer sumando en la
aplicación de este procedimiento.
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(3) se obtiene utilizando primero las relaciones funcionales y, a continuación,
despejando iL de (1b) y sustituyendo el resultado en (1a)
Obsérvese que ωd coincide con la parte imaginaria de las raíces de la ecuación
característica.
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Los valores identificados como Del circuito se obtienen examinando directamente el
circuito; los marcados como De (5), particularizando la citada expresión para los
instantes especificados. Se obtiene un sistema de tres ecuaciones con tres
incógnitas; resolviéndolo, se hallan los valores de las constantes.
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1. Solución.
Si r ≤ - RL, el coeficiente que multiplica a la derivada segunda será nulo o
negativo, con lo que la situación debería ser abordada de otra forma.
2. Solución.
 r

a = LC
+ 1 = 16 s−2
 RL

α=
3. Solución.
€
s1,2 =
b = R DC = 8 s−1
b
=
2a
0.25 s−1
− b ± b2 − 4ac
2a
c =1
=
c
= ω0
a
= − α ± α2 − ω20 = − 0.25 s−1
4. Solución.
€
s1 = − α + α2 − ω20
s1 = − α − α2 − ω20
⇒
s + s 
−1
2
α=− 1
 = 0.58 s
 2 
ω0 = s1s2 = 0.4 s−1
€
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Los elementos total o parcialmente desacoplados suelen presentarse en circuitos en
los que existe algún tipo de separación bien definida en dos partes, de modo que
sería más correcto decir que se están analizando simultáneamente dos circuitos
distintos.
Un cortocircuito o una fuente de tensión independiente conectados directamente
entre dos nudos (la rama que los une no contiene otros elementos) separan el
circuito en otros dos, estando cada uno de ellos a uno de los lados del par de nudos.
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1. Solución.
El comportamiento de la capacidad sólo está determinado por la fuente y la
resistencia a las que está conectada; es decir, está desacoplada. En el
comportamiento de la inductancia influye la capacidad a través de la fuente
dependiente; es decir, está acoplada. El circuito está parcialmente acoplado
(desacoplado).
2. Solución.
El comportamiento de la inductancia sólo está determinado por la fuente y las
resistencias a las que está conectada; es decir, está desacoplada. En el
comportamiento de la capacidad influye la inductancia a través de la fuente
dependiente; es decir, está acoplada. El circuito está parcialmente acoplado
(desacoplado).
3. Solución.
El cortocircuito impone una tensión nula en el nudo esencial superior, con lo que
la inductancia forma parte de un circuito en el que figuran la fuente, una
resistencia serie y la conexión a tierra a través del cortocircuito. Por su parte, la
suma de las caídas de tensión en la capacidad y la resistencia que está en serie
con ella ha de ser nula, con independencia de lo que ocurra en la inductancia. Es
decir, se trata de un circuito completamente desacoplado.
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El valor de B se obtiene comparando el valor de iL(0) que se obtiene sustituyendo t=0
en (4) con el que se deduce del examen del circuito. En este se verifica
t = 0−
I G = i C (0− ) +
i C (0− ) = 0 A
⇒
v C (0− ) v C (0− )
+
+ i L (0− )
R
R
v L (0− ) = 0 V
− kv C (0− ) = (R + R)i L (0− ) + v L (0− )
i L (0− ) = i L (0) = i L (0 + ) = −
2
A
3
€
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Al tener en cuenta que la tensión ha de ser nula en el nudo superior del cortocircuito
resultan las dos ecuaciones diferenciales mostradas en la diapositiva. Como puede
observarse, se trata de ecuaciones de primer orden, con coeficientes constantes y
segundo miembro constante, por lo que se resuelven como se indicó anteriormente.
La tensión inicial en la capacidad es igual a la que hay en la resistencia que está en
paralelo con el cortocircuito (no conectado antes de t=0 s) porque la corriente que
circula por ella es nula. Dicha tensión es la correspondiente a un divisor de tensión,
formado por RG y R (la inductancia es un cortocircuito en la situación considerada).
La tensión final en la capacidad es nula, ya que ha de coincidir con la del
cortocircuito (de nuevo, téngase en cuenta que no circula corriente por dicho
elemento).
La corriente inicial en la inductancia es la que circula por la malla formada por la
fuente, la propia inductancia (un cortocircuito) y RG y R. La corriente final en la
inductancia es la necesaria para que toda la tensión de la fuente caiga en RG, dada la
condición que impone el cortocircuito.
Obsérvese que, en el cálculo final de la corriente en el cortocircuito, no se tiene en
cuenta la que circula por la resistencia que está en paralelo con dicho elemento.
Dicha corriente es nula, porque la tensión en la resistencia, impuesta por el
cortocircuito que tiene en paralelo, también lo es.
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